離子與生物分子相互作用的新型動態(tài)探針

成對的帶負(fù)電荷的磷酸基團(tuán)和正鎂離子代表嵌入水中的DNA和RNA的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)特征?，F(xiàn)在已經(jīng)建立了磷酸基團(tuán)的振動作為這種接觸對的選擇性探針，并允許在分子動力學(xué)的超快時間尺度上繪制相互作用和結(jié)構(gòu)。

DNA和RNA是帶電荷的聚合物，它以雙螺旋結(jié)構(gòu)編碼遺傳信息，并且是蛋白質(zhì)生物合成的關(guān)鍵參與者。它們的負(fù)電荷位于分子骨架中，其由離子磷酸鹽(PO2-)和糖基團(tuán)組成。DNA和RNA的大分子結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定化需要通過相反的離子(即正電荷)補(bǔ)償同等電荷的磷酸基團(tuán)之間的強(qiáng)排斥電力。在這種情況下，鎂(Mg2 +)離子是特別相關(guān)的，因為它們不僅穩(wěn)定結(jié)構(gòu)而且還介導(dǎo)外部結(jié)合配偶體的識別并充當(dāng)催化中心。此外，通過動態(tài)折疊過程的大分子結(jié)構(gòu)的變化與嵌入周圍水殼中的正離子的重排相關(guān)聯(lián)。

正離子以不同的幾何形狀排列在DNA和RNA周圍：在所謂的位點結(jié)合或接觸對幾何結(jié)構(gòu)中，正離子位于與磷酸基團(tuán)的氧原子直接接觸的位置。相反，所謂的外部離子氣氛由正離子組成，所述正離子被來自磷酸基團(tuán)的至少一層水分子分開。不同幾何形狀和潛在相互作用的功能作用遠(yuǎn)未被理解。對分子水平的深入了解需要高靈敏度的探針，這些探針可以在不干擾它們的情況下辨別不同的離子幾何形狀，并在分子運(yùn)動的超快時間尺度上繪制它們的動力學(xué)。

在最近的一份出版物中，Max Born研究所(MBI)的研究人員證明磷酸鹽基團(tuán)的振動代表了水環(huán)境中離子幾何形狀的敏感和非侵入性探針。二甲基磷酸鹽(DMP，(CH3O)2PO2-)，一種已建立的DNA和RNA骨架模型系統(tǒng)，在含有過量Mg2 +離子的液態(tài)水中制備，并在飛秒時域中通過非線性振動光譜研究(1 fs = 10至-15秒的力量。該實驗利用二維紅外(2D-IR)光譜，這是一種最復(fù)雜的方法，用于分析波動分子運(yùn)動的固有時間尺度上的離子相互作用和結(jié)構(gòu)。

實驗通過2D-IR光譜中的獨(dú)特特征將Mg 2+離子映射為與PO 2 - 基團(tuán)直接接觸。與Mg2 +離子的相互作用將不對稱的PO2-拉伸振動轉(zhuǎn)移到比不存在Mg2 +離子時更高的頻率。這個新特征的線形和時間演變揭示了接觸離子對幾何形狀和嵌入水殼在數(shù)百飛秒的時間尺度上的波動，而接觸對本身存在的時間長得多(約為-6的功率) S)。深入的理論分析表明，由于量子力學(xué)交換相互作用引起的吸引靜電(庫侖)力和排斥力的微妙平衡決定了磷酸鹽振動的頻率位置。

2D-IR光譜學(xué)表征溶液中短程磷酸根離子相互作用的能力提供了一種新的分析工具，補(bǔ)充了目前可用的結(jié)構(gòu)技術(shù)。這種新方法對DNA和RNA及其離子環(huán)境的延伸是最有希望的，并且有望為穩(wěn)定平衡結(jié)構(gòu)和驅(qū)動折疊過程的力提供新的見解。

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